智能信息感知技术 课件 第5、6章 智能生物传感基础理论、智能光学图像传感技术

2024-07-231智能传感技术——第五章

智能生物传感基础理论目

录22024-07-235.1

生物传感系统生物视觉传感基本原理生物听觉传感基本原理生物触觉传感基本原理其它生物传感机理5.1

生物传感系统2024-07-233脑：高度发达的人体器官，进化的最高成果。端脑(大脑)间脑小脑中脑脑桥延脑脑脑的主要任务：收集人体内、外环境的信息，并对信息进行加工，指导自身行动，达到适应环境和做出有利于生存的决策和反应。5.1

生物传感系统2024-07-234颞

叶枕叶顶

叶额叶上缘外侧沟中央沟下缘运动功能、智能与情感和言语等高级认知功能及对小脑共济运动的控制作用视觉刺激的分析和综合感觉刺激的分析综合及言语功能顶枕沟听觉刺激的分析综合5.1

生物传感系统2024-07-235大脑皮层内部白色的髓质（即白质）几乎填满了半个大脑。由数百万条“沟通管线”(有髓神经纤维)组成，功能是负责沟通不同脑区的灰质、在神经细胞间传递动作电位。白质内的灰质核团——基底核(basal

nuclei)，位于接近大脑半球的底部。包括尾状核、豆状核等，尾状核和豆状核合称纹状体，是重要的皮质下运动中枢。主要功能是使肌肉的运动协调，维持躯体一定的姿势。5.1

生物传感系统2024-07-236脊髓脊髓与延脑相连，在脑与外周之间传送神经信息。脊髓是一条管状的神经束，呈前后略扁圆柱形，从脑干一直延伸至背部下方。它被完全封闭在脊柱的椎骨里。由灰质和白质构成

。5.1

生物传感系统2024-07-237大脑丘脑脑干下丘脑外感受器脊髓内感受器肌肉腺体受控过程局部控制器专用控制器小脑 高级协调控制器中央控制器神经系统多级结构图小脑为运动协调中心丘脑为感觉传入信息协调中心下丘脑为内环境控制的协调中心5.1

生物传感系统2024-07-238从信息传递和处理角度看，神经系统除了有多级递阶结构实现逐级协调和级间协调外，还有并行传递和处理的特点并行传递不仅表现在多种感觉信息同时分别由不同通路向中枢传递，而且在同一感觉通路内，又有并行的许多神经纤维同时向上传送，这种安排提高了信息传递的可靠性，并且提供在“硬件”受损伤时的代偿功能。另一方面，多种通路同时存在又可能造成相互干扰，为了有效传输信息，要求进行选择和控制。感觉传递通路中的离中控制是一种重要的对传入信息的选择的控制方式。在不同感觉模态间或同一感觉的不同区域，都存在上级对下一级结构的反向调制，这种调制称为离中控制。5.1

生物传感系统2024-07-239大脑丘脑脑干脊髓Ө

21Ө3各种感觉模式左图表示不同类的信息同时传入，在到达较高级中枢后，经过评价和整合，确定1是重要的。则只有1的信息可向中枢传递，通过脑干的下行抑制纤维抑制2、3通路，从而减少了中枢的负担，并突出了重要信息的传送。人脑多级递阶结构既能逐级协调和传递信息、又有反向控制存在，使得上、下级间有效协调实现人脑的整体功能。5.1

生物传感系统2024-07-2310神经细胞神经系统的主要构成成分就是神经组织。神经组织是由神经细胞(

neurone，即神经元)和神经胶质细胞(neuroglialcell)所组成。人类的脑中有1010~1012个神经细胞，神经胶质细胞与神经细胞的比例估计约为10:1~50:1。神经元是神经组织中的主要成份，是神经活动的基本功能单位，具有接受刺激和传导兴奋的功能。神经胶质细胞在神经组织中起着提供支持、供给营养、维持环境恒定及提供绝缘作用。5.1

生物传感系统2024-07-2311细胞体：代谢中心神经元轴突：一根，把冲动传离细胞体，传到神经末梢突起树突：多而短，接受刺激，把冲动传向细胞体5.1

生物传感系统2024-07-2312树突树突全长各点都可以接受其他神经元的轴突末梢并形成突触(synapse)突触为神经元间信息转换的关键部位，每个神经元可有1000~10000个突触，能传递、处理来自上千个其它神经元的信息，是细胞收集和接受信息的场所。神经纤维以神经元的突起为中轴，外包绝缘覆盖层，即为神经纤维。神经纤维末端的细小分支叫神经末梢，分布到所支配的组织。神经纤维分布到人体所有器官和组织间隙中，主要功能是对冲动发生传导。传导的速度很快，2~120m/s，传导的过程是以生物电的形式进行。5.1

生物传感系统2024-07-2313神经是由许多轴突或由轴突和树突混合在一起构成的纤维束。来自外感受器的冲动沿神经传入中枢神经系统，而后传出至效应器，如此往复。在中枢神经系统外，这些纤维束叫做神经，在中枢神经内，这些树突与轴突束被称为神经束。5.1

生物传感系统2024-07-2314神经元的分类神经元的形态差异很大，一般可按细胞突数目或功能特点的不同进行分类。神经元分类按突触数目分类按功能分类假单极神经元双极神经元多极神经元感觉神经元运动神经元联合神经元5.1

生物传感系统2024-07-2315信息传递——突触传递一个神经元突起的末梢膨大，形成扣状与另一个神经元的树突或胞体接触，这种接触点称突触。突触是神经细胞间信息转换和进行生理活动的关键性结构。总数:1012~1014个5.1

生物传感系统16信息传递——突触传递按活动机制分类：化学传递是以化学物质(神经递质)作为通信的媒介，此传导为单向的电传递是以电流(电信号)传递信息的。电子显微镜下，突触前膜有电子密度高的锥形致密突起(denseprojection)突入胞质内，突起间容纳的胞浆内含许多突触小泡，即突触囊泡，囊泡内含有化学物质，称为神经递质

。2024-07-235.1

生物传感系统2024-07-2317突触后部多为突触后神经元的胞体膜或树突膜，与突触前膜相对应部分增厚，形成突触后膜。突触后膜厚为20~50nm，比突触前膜厚，在后膜具有受体和化学门控的离子通道。突触间隙是位于突触前、后膜之间的细胞外间隙，宽约20~30nm，其中含糖胺多糖（如唾液酸）和糖蛋白等，这些化学成分能和神经递质结合，促进递质由前膜移向后膜，使其不向外扩散或消除多余的递质。5.1

生物传感系统2024-07-2318中枢神经系统内的递质可分为四类：乙酰胆碱、单胺类、氨基酸类和肽类。单胺类包括多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺，又名血清素。氨基酸类主要有谷氨酸、甘氨酸与γ

-氨基丁酸。神经元能分泌肽类物质

有升压素、催产素、调节腺垂体活动的多肽

。递质：①特异性地存在于以该物质为递质的神经元中②集中贮存在囊泡内③从突触前末梢可释放足以在突触后细胞或效应器引起一定反应的物质④通过突触间隙作用于突触后膜的受体⑤递质在发挥上述效应后其作用应该迅速终止5.1

生物传感系统2024-07-2319静息电位和动作电位神经细胞实质上是通过跨细胞膜两侧的电位变化信号最终编码和传输信息的。当神经细胞接收到输入时，它在输入点细胞膜两侧的电位差就要发生变化，而神经信息在神经纤维上的传送也是传送电位差的变化。跨神经膜两侧的电位：静息电位和动作电位静息电位：细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。膜外为正，膜内为负。人的神经细胞的静息电位为-70mV

。静息电位由细胞膜内外离子的分布不均衡，以及膜在不同情况下对各种离子的通透性不同所造成的。2024-07-2320动作电位：神经细胞和肌细胞在接受刺激产生兴奋时，在受刺激处的细胞膜两侧出现一次快速而可逆的电变化。当神经或肌细胞在安静情况下受到一次短促的阈刺激或阈上刺激时，膜内原有的-70~-90mV的负电位将迅速消失，转而变成+20~+40mV的正电位，即由原来静息时的内负外正转变为内正外负状态，其电位变化的幅度为90~130mV。动作电位一般只持续0.5~2.0ms，如将它描记成曲线，则呈现出一次尖锐的脉冲，称为锋电位，包括快速的上升支（即去极相）和快速的下降支（即复极相）。在神经干上记录动作电位时，在锋电位的后部还可观察到一些缓慢的膜电位微小波动，称为后电位。5.1

生物传感系统2024-07-2321一段安静的神经纤维在一侧段受到阈值以上的刺激产生了动作电位。该段由静息时的内负外正转变成内正外负的反极化状态，而其相邻的神经段仍处于内负外正的极化状态。于是，在兴奋段和相邻的未兴奋段之间出现了电位差，并发生了电荷移动，形成了局部电流。通过邻近未兴奋段的电流是使未兴奋段的膜发生去极化。当去极化到阈电位水平时，使未兴奋段转变为兴奋状态。5.1

生物传感系统5.1

生物传感系统2024-07-2322信息传递——跨膜传导外环境刺激因子和机体、细胞间通信的信号分子——激素、神经递质等第一信使和配体，到达并作用于机体细胞表面或细胞内受体部位后，信号跨膜转换形成胞内第二信使，其后的信息途经组份级联传递，通过胞内信号将信息传递到特定的效应部位，引起细胞生理反应和诱导基因表达，这个过程就是生命信号的（跨膜）转导。外、内刺激

配体

受体

跨膜

第二信使

磷酸化传递信息

调节细胞机体信号跨膜转导：生物活性物质与受体特异性结合，将信号转换后传给胞内系统，使细胞对外界信号作出反应。5.1

生物传感系统2024-07-2323功能和系统神经系统在机体一切活动中起着主导作用。神经系统分类按其形态和所在部位：按性质：神经系统周围神经系统中枢神经系统脑脊髓脑神经脊神经内脏神经神经系统内脏神经躯体神经5.1

生物传感系统2024-07-2324大脑皮层可按不同的的功能加以区分，这种分类在某种程度上是合理的，因为皮层的某些区域似乎与脑的信息输入和输出有明确的对应关系。大脑皮层的Brodmann分区法5.1

生物传感系统2024-07-2325躯体运动区大脑皮层上躯体运动区和躯体感觉区的功能分布及大小.5.1

生物传感系统2024-07-2326人工神经网络受到生物神经网络功能的运作启发，在多年来对神经科学研究的基础之上。经过一定的抽象、简化与模拟，人们提出了一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型——人工神经网络。定义：人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。在工程与学术界也常直接简称为神经网络或类神经网络。5.1

生物传感系统2024-07-23神经网络是一种运算模型，由大量的节点(或称神经元)和之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数(activation

function)。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值，称之为权重，这相当于人工神经网络的记忆。网络的输出则依网络的连接方式，权重值和激励函数的不同而不同。而网络自身通常都是对自然界某种算法或者函数的逼近，也可能是对一种逻辑策略的表达。a1~an为输入向量的各个分量w1~wn为神经元各个突触的权值b为偏置f为传递函数，通常为非线性函数t为神经元输出数学表示

t=f(WA'+b)W为权向量A为输入向量，A'为A向量的转置275.1

生物传感系统2024-07-23285.2生物视觉传感基本原理5.2.1 人眼视觉视觉系统的基本构造从物理结构看：视觉系统由光学系统、视网膜、视觉通路构成Light

Receptor BrainRadiant

Energy从解剖学看：视觉系统是由眼球和视神经系统组成的2024-07-23305.2生物视觉传感基本原理5.2.1 人眼视觉从黑盒方法看：可以模拟为一个复杂的分级平行信息处理系统简单的视觉系统模型5.2生物视觉传感基本原理眼的结构眼球壁由三层构成，从外到内依次是：巩膜、脉络膜和视网膜。巩膜主要起着巩固、保护眼球的作用。巩膜前面有1/6是透明的，这部分称为角膜。光线由角膜射入眼内。角膜厚度约为1毫米，直径为11毫米，含丰富的神经，感觉敏锐。脉络膜含有丰富的血管，可以输送养料、滋养眼睛。脉络膜最前面的环状部分为虹膜，虹膜中的色素决定了眼的颜色。虹膜中央有一个小圆孔，叫做瞳孔。虹膜上的肌肉可以控制瞳孔的孔径大小（2~8mm），强光时缩小、弱光时扩大，起到了照相机光圈的作用。视网膜约占眼球内表面的2/3，含有感光细胞，负责将外界的光信息转换为神经冲动，然后沿视神经传到大脑。5.2生物视觉传感基本原理角膜对入射光具有聚光作用晶状体悬挂在睫状体上将光线折射并聚焦在视网膜上睫状肌的收紧和松弛使晶状体改变凸度，起着光学变焦透镜的作用瞳孔起了照相机的光圈作用调节进入眼球的光量盲点没有视细胞视觉功能：屈光系统感光系统眼的结构5.2生物视觉传感基本原理视网膜视网膜主要可分为三个层次，依次是:最外层的感光细胞层、中间细胞层和神经节细胞层。感光细胞层包含两种视细胞：视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞（

cone

）是明视器官，它在光亮条件下发生作用，能分辨细节；视杆细胞（

rod

）是暗视器官对弱光反应灵敏，在低照明情况下发生作用。但它不能感受颜色，对精细物象的辨别也没有什么贡献。5.2生物视觉传感基本原理视网膜中间细胞层主要为双极细胞，双极细胞的一极与视细胞相连，另一极与神经节细胞相连。一般情况下每一个视锥细胞与一个双极细胞连接，这是为了在光亮条件下便于精细地感受外界的刺激。而往往是几十个视杆细胞连接到一个双极细胞。这是为了在黑暗条件下能汇集外界微弱的光刺激。神经节细胞的轴突形成视神经，穿过眼球壁进入脑内视觉中枢，神经节细胞总共有80万个。神经节细胞的反应，是视网膜的唯一输出。5.2生物视觉传感基本原理视细胞和视色素视细胞的外节含有色素，能够感光，所以外节也称为光感受器。外节是由于纤毛肥大分化而成的，细胞膜连续不断地内陷，并连续不断地摺叠而形成片层状结构，故称膜盘。视杆细胞的膜盘在基底部只有极少数和细胞膜相连接，其它大部分膜盘都是在边缘处与细胞膜断裂而分离开的，即每个膜盘是封闭而游离的。视锥细胞的膜盘都向其周围细胞质开放，即使有封闭的，也有小的通道相连。5.2生物视觉传感基本原理视细胞和视色素视色素是一种视蛋白(opsin)和生色团(itnomogen)所组成的色蛋白，是一种“复合蛋白”。视蛋白的结构很复杂生色团有视黄醛1和视黄醛2两种。脊椎动物的视色素有视紫红质（rhodopsin）、视紫质、视紫蓝质（iodopsin）和视蓝质等。分别对应不同的吸光光谱。5.2生物视觉传感基本原理光电信号转导过程光线照射视杆细胞活化视紫红质；活化的视紫红质活化转导蛋白——G蛋白；G蛋白活化磷脂二脂酶（PDE）；活化的PDE促使环鸟苷酸（cGMP）水解成鸟苷酸(GMP)，使原结合在Na离子通道上的cGMP离开Na离子通道关闭，膜对Na离子通透性降低，视杆细胞膜内电位向负值加大方向变化，阻断了谷氨酸释放，停止了它对双极神经细胞和神经节细胞的“抑制”，视杆细胞将光能转化成生物电，沿着双极神经细胞、神经节细胞和视神经轴突传到大脑，产生视觉。5.2生物视觉传感基本原理光电信号转导过程光线照射视杆细胞活化视紫红质；活化的视紫红质活化转导蛋白——G蛋白；G蛋白活化磷脂二脂酶（PDE）；活化的PDE促使环鸟苷酸（cGMP）水解成鸟苷酸(GMP)，使原结合在Na离子通道上的cGMP离开Na离子通道关闭，膜对Na离子通透性降低，视杆细胞膜内电位向负值加大方向变化，阻断了谷氨酸释放，停止了它对双极神经细胞和神经节细胞的“抑制”，视杆细胞将光能转化成生物电，沿着双极神经细胞、神经节细胞和视神经轴突传到大脑，产生视觉。5.2生物视觉传感基本原理，5.2.2

视觉特性明视觉与暗视觉明视觉(锥体细胞视觉)：在光亮条件下（亮度在几个cd/m2以上）起作用，能很好地分辨物体的颜色与细节。暗视觉（杆体细胞视觉）：在暗条件下（亮度在百分之几cd/m2以下）起作用只有明暗感觉，不能分辨颜色和细节。5.2生物视觉传感基本原理人眼对不同波长的可见光的感受性是不同的，同样功率的辐射在不同的光谱波长表现为不同的明亮程度。由于视觉的二重功能，正常视觉的人由光亮环境到黑暗环境时，由于视锥细胞视觉转到杆体细胞视觉，对不同波长的光的视觉感受性也发生变化，在光亮条件下，人眼可以看到光谱上不同明暗的各种颜色。当光谱亮度减低到一定程度的时候，人眼便看不到光谱上的各种颜色，视觉便成为无彩色的，整个光谱表现为一条不同明暗的灰带。5.2生物视觉传感基本原理能量相同而波长不同的光，引起人眼的亮度感觉不同眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率函数(视见函数)由于人眼有明视觉和暗视觉两种视觉功能，光谱光视效率也分明、暗两种。5.2生物视觉传感基本原理视觉功能人借助视觉器官完成一定视觉任务的能力叫做视觉功能。视觉区别对象细节的能力（视敏度）和辨认对比的能力，是代表视觉功能的常用指标。视敏度：人通过视觉器官辨认外界物体的敏锐程度，它表示视觉辨认物体细节的能力。视敏度的辨认主要是视网膜中央部分（中央凹）的功能。一个人能辨认物体细节的尺寸愈小，视敏度就愈高；反之视敏度就愈差。5.2生物视觉传感基本原理屈光系统构成：角膜、瞳孔、房水、晶状体、玻璃体作用：将远近不同的物体清晰地成像在视网膜上。5.2生物视觉传感基本原理角膜、房水

、玻璃体相当于透过介质，其折射率为1.336；晶状体相当于照相机的变焦镜头，其折射率从外层到内层约1.386-1.437。其曲率半径可由睫状肌调节，从而在一定范围内改变曲率，使远近不同的物体都能在视网膜上得到清晰的成像；瞳孔如同照相机的光圈，可以随光线明暗变化自动调节大小，直径在2-8mm之间变化。5.2生物视觉传感基本原理立体视立体视觉，又称深度觉、空间视觉，是由于Panum对应感觉区内，存在轻微视差的物像刺激双眼视网膜对应点，大脑才能由此产生对该物体三维空间的立体形状及判断其位置远近距离关系的感知能力。双眼视网膜结像出现微小的水平像位差，称为双眼视差（tfinocularparallax）或立体视差（stereoscopic

vision）。双眼视物时，两眼视网膜上各形成一个完整的物像，由于眼外肌的精细协调运动，可使来自物体同一部分的光线成像于两眼视网膜的对称点上，并在主观上产生单一物体的视觉，称为单视。眼外肌瘫痪或眼球内肿瘤压迫等都可使物像落在两眼视网膜的非对称点上，因而在主观上产生有一定程度互相重叠的两个物体的感觉，称为复视。5.2生物视觉传感基本原理双眼视觉是一个完整的生理功能，可将其分为三级。第一级为同时知觉，第二级为两像融合，第三级为立体觉。5.2生物视觉传感基本原理5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理视觉通路视觉通路的传导从视网膜上神经节细胞层这一级神经元开始。神经节细胞的轴突形成视束。视束的神经纤维分成三个子束。一束来自外侧（颞侧）的半个视网膜；另一束来自内侧（鼻侧）的半个视网膜；第三束来自视网膜的中央部分。5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理人的视束纤维在其往后的过程中有一部分发生交叉——即来自每一视网膜鼻半侧的纤维在视交叉处交叉，而来自视网膜颞侧部分的神经纤维不交叉。交叉的纤维与另一颞半侧不交叉的纤维合并后继续通向外膝核。另外也有一部分通向上丘。由外膝核发出的纤维称为视放射，最后到达大脑皮层的枕叶，即纹状区。这是视觉高级中枢部分。5.2生物视觉传感基本原理5.2.3

大脑视觉信息处理感受野受刺激兴奋时，通过感受器官中的向心神经元将神经冲动（各种感觉信息）传到上位中枢，一个神经元所反应（支配）的刺激区域就叫做神经元的感受野（receptive

field），又译为受纳野。直接或间接影响某一特定神经细胞的光感受器细胞的全体就是感受野。5.2生物视觉传感基本原理5.2.3

大脑视觉信息处理感受野感受野本身可细分为不同的区域：一部分外界光照变化时将使该神经细胞放电频率增加，而另一部分将减少放电频率。感受野之外的光照对该感受野的神经细胞放电无影响。5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理感受野末梢感觉神经元、中继核神经元以及大脑皮层感觉区的神经元都有各自的感受野。随感觉种类不同，感受野的性质、大小也不一致。皮肤感觉末梢神经元的感觉野，就是由一个感觉神经元的神经纤维所支配的许多感受器在皮肤表面所能反应的范围。一个视神经细胞和许多视觉感受器相连接，一条视神经纤维所支配的感受野是可以从视网膜上找到的。5.2生物视觉传感基本原理5.2.3

大脑视觉信息处理感受野猫的视网膜神经节细胞在明适应条件下，可以证明其很多感受野的中心是兴奋野，其周围被抑制野所包围，形成了近似同心圆的两重结构

。猫的视网膜视神经节细胞的感受野可分为两类：一种是给光-中心／撤光-外周；另一种是撤光-中心／给光-外周。猫神经节细胞感受野及其反应形式5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理视皮层最重要的视皮层位于枕叶。V1区是初级视皮层的17区;

V2区位于17区和18区之间;V3区是视皮层的18区中对动态形状起反应的区域;V4区是视皮层的18区内对颜色起反应的区域;V5区是对空间位置及相关运动起反应的区域,

位于颞叶的中区(MT)。在功能上,

V1

和V2

将不同的视觉信息分类处理,

然后再分门别类地发送到V3、V4、V5

区去整合。5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理视皮层简单细胞主要分布在视皮层17区的第4层内，感受野较小，呈狭长形，用小光点可以测定，对大面积的弥散光无反应，而对处于拮抗区边缘一定方位和一定宽度的条形刺激有强烈的反应，因此比较适合于检测具有明暗对比的直边，对边缘的位置和方位有严格的选择性，对每一个简单细胞，都有一个最优方位，在此方位上细胞反应最强烈。复杂细胞同样处在要求刺激具有特定的方位，但对其在感受野中的位置无严格要求。多分布在皮层17区（占大部分细胞）和18区，在19区很少看到。形态学上可能是第3和第5层中的锥体细胞。超复杂细胞对条形刺激的反应类似复杂细胞，不同之处是超复杂细胞感受野的一端或两端有很强的抑制区，因此要求条形刺激有一定长度，过长时就产生抑制，反应减少或消失。5.2生物视觉传感基本原理5.2.3

大脑视觉信息处理视觉皮层功能柱的概念，认为颜色、形状、运动及可见世界的其他属性都是分别处理的。PET研究，发现视力正常的人看一副蒙德里安水彩风景画（一种毫无可识别物的抽象景色）时，区域性大脑血流增加最大是发生在V4，如果看动着的黑白方块时，最大的血流量是发生在一个与V4完全分隔开的更靠近侧面的区域中V5。这为人类视觉皮层的功能专门化特征提供了直接证据，同时表明在这两种刺激条件下，V1区（或许还有相邻的V2）也呈现过区域性大脑血流显著增加的现象。Hubel和Wiesel用单细胞的微电极记录结合某些特殊的组织学技术，发现许多具有相同视觉功能特性的皮层细胞，在视皮层上按一定的规则(空间上的结构)排列起来，这种按功能排列的皮层结构——称为皮层的功能构筑(functional

architecture)。5.2生物视觉传感基本原理大脑视觉信息处理更高层次的脑信息处理机制，提出的一些假设主要有：1、“主教细胞”假说：根据Hubel和Wiesel提出的分级假说（hierachical

hypothesis），就可以推导是否存在祖母细胞。所存在的关键问题是：(1)组合爆炸；(2)

信息的集成问题。2、细胞群假设

：由一群细胞的时空发放模式来反映刺激的类型。问题是：(1)

重叠灾难；(2)

难以表达“等级结构”；(3)特征捆绑问题。3、时空编码理论

：动态细胞群。1989年，C.M.

Gray和W.Singer等发现了视皮层神经元活动的γ（40Hz）同步振荡的研究结果，引起了神经科学界的极大关注。1995年，提出了时空编码理论。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.1

耳的生理结构耳是人类重要的一种感觉器官，解剖学上称为前庭蜗器或位听器，包括感受头部位置变化的前庭器（位觉器）和感受声波刺激的蜗器（听觉器），前者为平衡觉，后者为听觉。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.1

耳的生理结构耳蜗是听觉器，它是一个骨质外壳包裹的管状结构，围绕这蜗轴盘旋，整个管道在底部较粗二顶部较细，形似蜗牛。耳蜗中真正的声音感受器是位于基底膜上的螺旋器或称科蒂氏（Corti）器，螺旋器上的毛细胞是声音的感受器细胞。毛细胞分为内毛细胞和外毛细胞，分列螺旋器两侧，毛细胞与神经纤维形成突触连接，传导听觉信息5.3

生物听觉传感基本原理5.3.2

声电换能声音是由声源体发生振动引起的四周空气的震荡产生的声波。声音通过外耳道传到鼓膜使之振动，鼓膜的振动又带动了连接的砧骨和镫骨，从而带动耳蜗内的淋巴液的运动。通常，声音通过声阻抗较小的空气介质向声阻抗较大的液体介质传导时，绝大部分能量会被反射，降低传导率。而中耳结构会解决这个问题，听骨链会通过机械作用对声音起到增益，鼓膜面积比卵圆窗面积大很多，面积差异可以使声压增加24倍多。5.3

生物听觉传感基本原理基底膜上的行波示意图5.3.2

声电换能当声波的机械振动到达卵圆窗膜时，压力变化会立即传给耳蜗内液体和膜型结构，这种振动会以波的形式沿着基底膜向前传播。基底膜上行波的传输情况与声波的频率相关，频率越低，行波传输越远，最大行波振幅出现的部位愈靠近耳蜗顶部的基底膜，最大振幅出现后，行波会很快消失，不在传播。（取决于基底膜的特殊物理性质）不同频率的声音可以引起不同形式的基底膜的振动，被认为是耳蜗分辨不同声音频率的基础。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.2

声电换能基底膜上的螺旋器上结构如上所示，在耳蜗出现振动时，盖膜和网状膜之间会出现剪切运动，从而引起内外毛细胞的静纤毛弯曲。耳蜗的前庭阶和鼓阶内充满外淋巴液，而蜗管内含内淋巴液，两种淋巴液的离子组成差别很大，造成静息状态下耳蜗内不同部位间存在电位差。在出现声波振动时，毛细胞的纤毛发证弯曲，会对毛细胞产生机械刺激，导致纤毛顶端的离子通道电导发生变化，出现离子流动，使机械能转变为生物电，引起毛细胞兴奋。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.2

声电换能毛细胞换能转导过程正的耳蜗内电位（80mV）和负的毛细胞内静息电位（-70~80mV）共同构成跨过毛细胞顶部膜的电压梯度（160mV），盖膜和网状层之间的运动引起毛细胞静纤毛弯曲，后者通过牵引静纤毛间的横向连接使得静纤毛离子通道开放，离子（主要是K+）顺着电压梯度进入毛细胞，引起毛细胞去极化，毛细胞释放化学递质将兴奋传递给听觉神经纤维。听觉神经动作电位是声音传入耳蜗，经耳蜗换能和突触传递的最终产物。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.3

听觉神经信息处理听觉神经耳蜗听神经元位于耳蜗螺旋版和蜗轴基部的骨性蜗螺旋小管内，组成螺旋神经节，人类约有3万个听神经元，将毛细胞感受的信息经突触传递传入脑干。用不同频率纯音引起神经元放电反应时，阈值最小的纯音频率称为特征频率或最佳频率。每一根神经纤维都有自己特定的特征频率，该特征频率与听神经纤维在基底膜上的起源位置有关。该过程类似于滤波，不同频率成分分别进入各自的评论通道。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.3

听觉神经信息处理第一级神经元蜗螺旋神经节内双极细胞第二级神经元蜗神经腹核和背核内第三级神经元下丘脑内第四级神经元内侧膝状体5.3

生物听觉传感基本原理5.3.3

听觉神经信息处理脑内不仅有神经通路将声音信号传入倒皮质，还有传出通路反过来影响内耳功能，就是耳蜗传出神经系统，包括内测橄榄耳蜗系统和外侧橄榄耳蜗系统。该系统是一个负反馈通路，可反射性引起外毛细胞机械运动，改变耳蜗的微机械特性，以达到保护内毛细胞免受过强刺激的目的。5.3

生物听觉传感基本原理5.3.3

听觉神经信息处理人的听觉最高中枢位于大脑颞叶的颞横回前部，也被称为皮质听区，该回路大多被卷入外侧裂内。皮质听区对声音频率的分辨精度比内测膝状体高。听皮质神经元对声音的频谱、时间、空间进行综合信息处理，有精细的分工和高效的协同。目前的一般共识是：听皮质广泛参与了与听觉相关的各种活动，例如复杂声音分析，立体声像的形成，声音注意力机制，听声定位，声音识别等。5.4

生物触觉传感基本原理5.4.1

皮肤皮肤由表皮和真皮构成。表皮是复层鳞状上皮层，无血管分布，但有游离神经末梢。真皮主要由胶原纤维和弹性纤维交织构成。皮肤的功能：防止体内液体丧失防止体外物质入侵调节体温感知外部环境5.4

生物触觉传感基本原理5.4.2

皮肤内感受器感觉神经元皮肤内含大量感觉神经末梢，是感觉神经元周围突的终末部分，该终末与其它结构共同组成感受器，感觉神经末梢按其结构可分为游离神经末梢和有被囊神经末梢两类。游离神经末梢结构简单，分布在表皮、角膜和毛囊的上皮细胞间或分布在各类结缔组织内。能感觉痛、冷、热和轻触的刺激有被囊神经末梢的末梢外面包裹有结缔组织被囊，种类较多。如环形（Pacinian）小体，触觉小体，Merkel小体，Ruffini小体，毛囊感受器等。5.4

生物触觉传感基本原理5.4.2

皮肤内感受器5.4

生物触觉传感基本原理5.4.3

触压觉触觉：给皮肤施以触、压等机械刺激所引起的感觉中，微弱的机械刺激使皮肤触觉感受器兴奋引起的感觉。压觉：较强机械刺激使深部组织变形而引起的感觉。两者性质类似，故统称为触压觉。其中触觉的适应性快，刺激阈值低，比较敏感。此外，每秒5~40次的机械振动还可引起皮肤的振动感觉。触压感的感受器主要有四种：Meissnere触觉小体，Pacinian环层小体，Merkel感受器，Ruffini小体，另外还有一些游离神经末梢。触压点在皮肤表面的分布密度和该部位对触压感的敏感程度呈正比。例如，鼻、口唇、指尖等处分布密度最高，触压觉阈值最低，胸、腹次之，手腕、足等处最低。5.4

生物触觉传感基本原理5.4.4

温觉和湿觉冷觉和热觉合称为温度感觉，分别由冷热两种感受器的兴奋所引起，这些感受器实质上是游离的神经末梢，散布于全身皮肤各部位。大约每平方厘米皮肤上有10个冷觉和热觉感受器，能够感受0.003度的皮肤温度变化。不同类型的感受器对不同范围的温度敏感。例如40度的温度刺激可找到皮肤的热点，15度的温度刺激可以找到冷点。温度感觉受皮肤的基础温度、温度的变化速度以及被刺激皮肤的范围等因素影响。湿度感觉的产生机理是皮肤在接触外界物质的过程中将含湿量增加或减少的感知新年好传递给大脑后，大脑做出的感知状态判断，判断的依据是皮肤和外界的传质方向，而非外界物质的实际含湿量或物理含湿量。温差越大，引起皮肤接触点的湿度的降低或升高也越大。5.4

生物触觉传感基本原理5.4.5

机械-电换能触压觉感受器的适宜刺激是机械刺激。机械刺激引起感受神经末梢变形，将信息传送到其中的神经末梢使之形变，改变感受细胞膜的通透性，产生钠钾离子流动，导致膜电位去极化，产生感受器电位。当感受器电位使神经纤维膜去极化并达到阈值时，传入神经产生动作电位，冲动沿特定上行通路向感觉皮层传递。感受器除了通过能量转换的形式将感觉量传入大脑，更重要的是把刺激所包含的环境变化信息也转移到新的动作电位的序列中，即编码作用，从而使得大脑获得外在世界的认识。触压觉感受器可以对刺激变化产生编码。例如：两个最终强度相同但加速度不同的刺激作用与Meissner小体时，加速度高的引起的动作电位频率高，增加慢的引起的动作电位频率低。5.4

生物触觉传感基本原理5.4.6

触觉神经通路和信息处理脊髓后索的薄、楔束及侧索的脊髓丘脑束是躯体触压觉的主要上行传导束，三叉神经是头部触压觉的主要传入纤维.它们分别经脑干的内侧丘系和三卫丘系达丘脑的腹后外侧核和腹后内侧核，然后 要投射到大脑皮层的中央后回，产生触压感觉。5.4

生物触觉传感基本原理、5.4.6

触觉神经通路和信息处理触压觉在内侧丘系和前外侧系两条通路中上行，只有中枢损伤非常广泛时

触压觉才可能完全被阻断。这两个系统中传导的触压觉类型是不同的。经内侧丘系传导的触压觉与剌激的具体定位空间和时间的形式等有关

而经存储丘脑束传导的触压觉仅有粗略定位的功能。5.5

其他生物传感机理化学觉是一种最原始的基本感觉。我们最熟悉的两种化学觉为味觉和嗅觉。味觉主要感知摄取的食物，而提供关于摄取食物的质、量和安全性的信息。嗅觉系统主要感知空气传播的分子提供来自食物，人自身、其他人、各种动物、植

物和环境方面的化学物质信息。这些信息可以影响到喂养行为、社会交往和繁殖。5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉味觉是通过化学感受器直接与环境中的化学物质作用而产生的神经信号。多数神经生物学家认为，食物中涉及多种化学物质，人类能辨别的基本味觉刺激物质称为味质，约为五种，即甜、酸、苦、咸和“鲜”。每一种味质都有与其相关的代表性化学物质。甜 果糖、葡萄糖、甜味剂…酸 酸性物质苦 生物碱咸 盐鲜 谷氨酸钠5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉舌是味觉器官，邻近口腔底，其基本结构是骨路肌和表面覆盖的粘膜。舌除了有协助

咀嚼、吞咽食物和辅助发音外，还具有感受味觉的功能。轮廓乳头、菌状乳头、叶状乳头以及软颚、会厌等处的粘膜上皮中含有味蕾，为味觉感受器5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉味觉的感受器是味蕾，又称味器，主要分布于舌背部表面和边缘的菌

状乳头和轮廓乳头，少数散在于软愕、会厌及咽等部上皮内。人舌不同部位的味蕾对不同味道的物质的感受性不同，舌尖对甜味比较敏感，舌两侧的前部对咸味比较敏感，舌两侧对酸味比较敏感，舌根部和软腭对苦味比较敏感。5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉味觉的敏感度往往受食物或刺

激物温度的影响（20-30°）味觉的分辨力和对某些食物的选择

也受血液中化学成分的影响（钠离子少，喜咸）味觉强度与物质的浓度有关味觉强度也与唾液腺的分泌有关味觉的敏感度随年龄的增长而下降某种引起味觉的物质长时间刺激时，味觉的敏感度就迅速降低5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉味觉感受器是通过细胞顶端的微绒毛与舌表面的化学物质接触换能。味感受器不是神经元，但是这些味觉细胞在基底端与传入神经轴突终末形成突触。这些味细胞也通过化学突触和电突触作用于基底细胞，基底细胞通过突触传送到感觉神经轴突，因此在味蕾中就形成了简单的信息传递环路。如果切断了感觉神经味蕾将退化。味觉剌激物使味细胞膜内外的电位差减少，细胞膜去极化，去极化的程度与刺激物浓度的对数成正比。如果味觉感受器去极化的程度足够大，味细胞也像神经元那样产生动作电位。实验证明，一个味感受器并不只对一种味质起反应，而是对酸甜苦咸均有反应，只是反应的程度不同而己。5.5

其他生物传感机理5.5.1

味觉大脑皮层的岛盖、岛叶区，位于大脑外侧裂中的中央后回最外侧，和躯体感觉的舌区紧密联系甚至重叠。这个区域就是所谓大脑皮质的味觉中枢，是分析、综合味觉信息并感知味觉的最高级中枢。味觉还存在皮层下神经通路，与下丘脑和边缘系统有关。这

结构主要影

食物的美昧和进食动机。剌激杏仁核引起胃液分泌和内脏活动，电刺激外侧下丘脑增加动物摄食，而损毁下丘脑或杏仁核则引起动物过量饮食、厌盘或改变饮食习惯。5.5

其他生物传感机理5.5.2

嗅觉人和动物为什么能闻到各种气味呢？物质的化学成分与气味有什么样的关系？为什么有些动物嗅觉极其灵敏？脑是如何辨别成千上万种不同的气味呢

？5.5

其他生物传感机理5.5.2

嗅觉鼻腔上部存在的嗅上皮使我们能够感觉气味。嗅上皮中存在不同类型的细胞，其中最重要的细胞为嗅觉感受器细胞。这是种细胞体为卵圆形的双极神经元细胞。在嗅上皮中，大约存在1亿个嗅感受器细胞。排列成薄薄的1层散布于支持细胞中。基底细胞也是嗅上皮的细胞之一，呈现明显的多形态。主要参与感受器细胞的更新作用。嗅觉感受器细胞可以自然地退化与再生。5.5

其他生物传感机理5.5.2

嗅觉嗅感受器神经元的轴突集合形成的嗅束为嗅神经。受到气味剌激时，嗅觉上皮的感受器产生一种慢电位，以每秒

3

个低频率发送脉冲。大多数气味使脉冲增加，亦有少数气味能抑制脉冲发放。强烈的气味可以增加脉冲频率、最多可达20

/s。同一刺激对不同的感受器以及不同剌激对同 感受器的阈值变化很大，这可能与感受器上的受体分子的密度有关。5.5

其他生物传感机理嗅觉嗅觉感受器神经元与其他感觉细胞一样，对剌激物十分敏感。不同的嗅质或同嗅质不同浓度可以改变反应的潜伏期、反应时相或个体神经元的动作电位频率。一种嗅感受器神经元对嗅质的结合和分子传导机制是选择性的，一种感受器神经元能被几种嗅质激活。嗅感受器神经元对一种持续存在的气味，以减少信号频率为反应方式。5.5

其他生物传感机理5.5.2

嗅觉嗅束的纤维直接或经过换神经元分别终止于脑的内侧嗅区和外侧嗅区。内侧嗅区是由部分下丘脑嗅神经核、嗅结节及其他相邻部分组成。外侧嗅区包括梨状前区、沟回结构、梨状层及部分杏仁核。嗅觉对丘脑的投射在进食、定位和社会团体行为中起作用。2024-07-2388谢

谢！2024-07-231智能传感技术——第六章智能光学图像传感技术目

录22024-07-236.1光学图像传感技术基础光学图像传感器件原理与分类智能光学图像传感数据处理技术智能光学图像传感典型应用6.1光学图像传感技术基础图像传感器2024-07-2391各种数码成像设备6.1光学图像传感技术基础2024-07-2392图像传感器是指利用光电器件的光电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例的电信号“图像”的一种功能器件。固态图像传感器是一种高度集成的半导体光电器件，在一个器件上可以完成光电信号转换、传输和处理。6.1光学图像传感技术基础6.1.1图像传感器的发展1934年光电摄像管是最早的图像传感器，

它的灵敏度、信噪比较低，

图像质量较差，

没有得到实际应用。1954年高灵敏度摄像管在成本、体积上都有很大进步，并在电视产业得到了广泛的应用。氧化铝摄像管的出现，使彩色电视摄像事业得到了一次飞跃，但由于当时技术上的原因，这种晶体管在性能上还有很大的不足。011947年 02开发出了超正析相管，在灵敏度上得到很大提高。0304 1965年20世纪末2024-07-2393CMOS

和CCD

传感器相继出现，使图像传感器的发展迎来了飞跃。6.1光学图像传感技术基础2024-07-23946.1.2基础概念1.受光摄影面接受的光转换成电信号，称为光电转换。当半导体等材料受光时，随着光能的变化，材料表面电荷（电子或空穴〉的能量状态发生变化的现象，也遵循着光电效应的原理。2.信号的读出图像传感器利用光电转换的原理，根据拍摄对象在摄影面产生电荷，摄影面以像素为单位细分，只要各像素分别连接信号读出线即可取出信号。3.图像信号的传输电视机是通过扫描方式使画面发光产生图像。利用525条扫描线数与每秒六十场的隔行扫描形成图像信号。为求适当的分辨率，采用6MHz的传输带宽。反过来说，在有限的电波带宽内，为了传送视觉上看起来美观、动作顺畅的图像，必须将画面分解为线状，成为一条条的图像信号。6.1光学图像传感技术基础6.1.2基础概念4.光电转换与扫描图像传感器读出因光在摄影面上产生的电荷的机制，可由图7.5的概念图表现。至少在电视机方面，读出再生图像的图像传感器，只要满足以下两点即可：①受光的摄影面进行光电转换，产生电荷。②产生的电荷在摄影面经扫描后读出信号。2024-07-23956.1光学图像传感技术基础2024-07-23966.1.3图像传感器的分类图像传感器分为：光导摄像管光导摄像管是电视摄像机中进行光电转换的一种主要的真空光电器件，是将光的图像转换成电视信号的专用电子束管。这种摄像管又称氧化铅光导摄像管，它的工作原理与视像管大致相似，在光导摄像管(Pb)中，将光学影像转换为相应的电脉冲。光导摄像管出现于20世纪60年代，以后性能得到很大改善，广泛应用于电视摄像等方面。固态图像传感器CCDCMOS6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器CCD

（Charge

Coupled

Device

)全称电荷耦合器件，是1970年贝尔实验室的威拉德·博伊尔

(Willard

S.

Boyle

)和乔治·史密斯

(George

E.

Smith

)发明的。40年后，随着影像传感器逐渐发展成为一个年出货量达13亿颗的庞大市场，两位技术先锋也在2009年获诺贝尔物理奖。2024-07-23976.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-23986.2.1CCD图像传感器CCD

具备光电转换、信息存贮和传输等功能。具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器嫦娥2号上的CCD摄像机能够以10米的分辨力拍摄月球表面的3D图像。2024-07-23996.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器汽车工业：非接触测量机器人：计算机视觉、机械视觉2024-07-231006.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231016.2.1CCD图像传感器CCD的结构及工作原理CCD的基本功能是电荷的产生、存储、转移和输出。一个完整的CCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。一个MOS电容器就是一个光敏元，可以感应一个像素点，那么传递一幅图像就需要多个MOS光敏元大规模集成的器件。6.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231026.2.1CCD图像传感器电荷耦合摄像器(CCD)的突出特点是以电荷为信号的教体，不同于大多数以电流或电压为信号载体的器件。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。CCD有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面转移，这类器件称为表面沟道CCD(简称为SCCD)；另种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器件称为体沟道或埋沟道器件(简称为BCCD)。下面以SCCD为例，讨论CCD的基本工作原理。6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器CCD的结构及工作原理CCD的光敏单元是在P型(或N型)硅衬底上生长一层厚约120nm的氧化物SiO2层。电极SiO2多数载流子(空穴)少数载流子(电子)P-Si2024-07-23103单个MOS光敏元剖面图再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属(M)-氧化物(O)-半导体(S)（MOS电容）。6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器显微镜下的MOS电容2024-07-231046.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器+UG耗尽区(势阱)表面势2024-07-23105Vs向SiO2表面电极加正偏压，P型硅中的多数载流子(空穴)受到排斥，半导体内的少数载流子(电子)吸引到P-Si界面处来，形成一个带负电荷的耗尽区(表面势阱)。6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器光电转换的实现+Vg表面势Vs势阱电子-空穴对光(光子)2024-07-231066.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器把MOS光敏元的电极每3个分成一组，依次在其上施加三个相位不同的时钟脉冲（又称控制脉冲或驱动脉冲）

1、

2、

3。

1驱动电极1、4，

2驱动电极2、5，

3驱动电极3、6。三相时钟脉冲波形2024-07-23107

1高电平，

2、

3低电平在电极1、4下面出现势阱，并

且1高存电储平了，电

2荷由。低升至高电平，电极2、5下面出现势阱，电极1、2及4、5下面的势阱互相通连，

形下成降大，势

阱仍。为高电平，1 2更多的电荷转移到电极2、5只下有势

阱2为内高。电平，信号电荷全部转移到电极2、5下的势阱中。6.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-23216.2.1CCD图像传感器1）光信号注入当光信号照射到CCD衬底硅片上时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。这时在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）将流入衬底，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成与光强成正比的信号电荷存储起来。背面照射式注入6.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-2322电压信号注入6.2.1CCD图像传感器2）电信号注入二极管位于输入栅衬底下，当输入栅加上宽度为

t的正脉冲，输入二极管PN结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入

1电极下的势阱中。注入电荷量Q

I

D

t6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器电荷的输出OG为输出栅，当加上反相偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上形成脉冲电流I0。输出脉冲电流的大小与信号电荷的大小成正比，并通过负载电阻转换为信号电压U0输出。2024-07-231116.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231126.2.1CCD图像传感器1.电荷耦合摄像器件的基本工作原理CCD的电极结构CCD电极的基本结构应包括转移电极结构、转移沟道结构、信号输人单元结构和信号检测单元结构。这里主要讨论转移电极结构。最早的CCD转移电极是用金属(一般用铝)制成的。由于CCD技术发展很快，到目前为止，常见的CCD转移电极结构不下20种，但是，它们都必须满足使电荷定向转移和相邻势阱耦合的基本要求。三相CCD：三相单层铝电极结构，三相电阻海结构，三相交叠硅栅结构。二相CCD：二相硅-铝交叠栅结构，阶梯状氧化物结构，注入势垒二相结构。还有四相CCD，体沟道CCD等等。6.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231136.2.1CCD图像传感器3)电荷的检测在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路，尽可能地减小时钟脉冲对输出信号的容性干扰。目前的CCD输出电荷信号的方式主要是称为电流输出方式的电路。6.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231146.2.1CCD图像传感器（4）电荷耦合摄像器件CCD摄像器件不但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面的优越性，也是其他摄像器件所无法比拟的。A．工作原理电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏(或光敏)的CCD，又简称为ICCD，它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。6.2光学图像传感器件原理与分类CCD图像传感器从结构上可分为两类：一类是用于获取线图像的线阵型CCD图像传感器，主要用于产品外部尺寸非接触测量、产品表面质量评定、传真和光学文字识别等方面；另一类用于获取面图像的面阵型CCD图像传感器，主要用于摄像领域。2024-07-231156.2光学图像传感器件原理与分类2024-07-231166.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器1）线型CCD摄像器件的两种形式单沟道线阵CCD单沟道线阵CCD由光敏阵列，转移栅，CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。当转移栅上的电位为高电平时，光敏区和模拟移位寄存器沟通，而转移栅上的电位为低电平时，二者隔离。二者隔离时光敏区进行光电注入，像元在不断地积累电荷，有时将像元积累电荷的这段时间称为光积分时间。转移栅电极电压为高电平时，光敏区所积累的信号电荷将通过转移栅转移到CCD模拟移位寄存器中。通常转移栅电棚高电平的时间很短，为低电平的时间很长，因而光积分时间要远远超过转移时间。在光积分时间里，CCD模拟移位寄存器在三脉冲驱动输出CCD移位寄存器2024-07-23117相交叠脉冲的作用下，将信号电荷一位位地移出

光栅器件在光积分时间形成时序信号(或称视频信号)

。转移栅6.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器1）线型CCD摄像器件的两种形式单沟道线阵CCD光敏单元转移栅CCD

移位寄存器

输出时钟时钟2024-07-231186.2光学图像传感器件原理与分类6.2.1CCD图像传感器1）线型CCD摄像器件的